Silniki do trudnych warunków eksploatacyjnych

-- poniedziałek, 03 grudzień 2012

Silniki elektryczne są nieodzownym elementem maszyn i urządzeń przemysłowych. Od ich niezawodności zależy bezpieczeństwo fabryki i procesów produkcyjnych. W wielu aplikacjach wymaga się urządzeń przystosowanych do trudnych warunków eksploatacyjnych.

Oferowane na rynku silniki elektryczne mają szerokie spektrum zastosowań w przemyśle, począwszy od pomp poprzez wentylatory, kończąc na maszynach wielkogabarytowych. Do dyspozycji pozostają silniki o mocy od 0,06 kW do ponad 18,5 kW. Nabyć można silniki elektryczne jedno- i trójfazowe o różnej biegunowości, w obudowie aluminiowej w różnej formie konstrukcyjnej. Oferowane są także silniki z hamulcami oraz w wykonaniu specjalnym. Na szczególną uwagę zasługują silniki przeznaczone do pracy w trudnych warunkach eksploatacyjnych.

Zastosowanie

Czytelnicy podają, że napędy przeznaczone do pracy w trudnych warunkach eksploatacyjnych są nieodzownym elementem systemów wentylacyjnych oraz maszyn i urządzeń, a w szczególności pomp narażonych na działanie wilgoci i środków chemicznych. Nie bez znaczenia pozostają również specjalne silniki uwzględniane w przenośnikach taśmowych oraz układach przeniesienia napędu. Zwraca się uwagę na odpowiedni dobór napędów do systemów transportowych, takich jak wózki czy podajniki i transportery. Niejednokrotnie specjalnych napędów wymagają instalacje odpylania, a także windy i podnośniki. Odpowiednie silniki stosuje się w maszynach uwzględnianych w procesach walcowania i wiercenia. Oczywiście specjalnych silników nie brakuje w napędach sprężarek.

Jako najczęściej stosowane silniki przedstawiciele fabryk wymieniają urządzenia firm SEW-EURODRIVE, Sumitomo, Nord, Weg oraz Schorch. Nie mniejszym uznaniem cieszą się również silniki Siemens, Loher, Kuenle, Reliance Electric, Indukta i Celma. Jako producentów silników wymieniono także firmy Emit, Bosch, Bodine, ABB, Besel oraz Motovario.

Przy wyborze silników bardzo często zwraca się uwagę na oszczędność energii. Na przykład firma Cantoni oferuje wysokosprawne silniki Sh. Są to trójfazowe silniki klatkowe wysokiego napięcia w kadłubach użebrowanych żeliwnych o bardzo wysokim współczynniku sprawności energetycznej. Sztywna i zarazem zwarta konstrukcja zapewnia bardzo niski poziom drgań i niski poziom hałasu. Silniki tego typu uwzględnia się w napędach różnego rodzaju maszyn i urządzeń pracujących w ruchu ciągłym. Oferta obejmuje silniki o wielkościach mechanicznych od 355 do 560 mm w zakresie mocy 160 do 1800 kW.

Plany zakupowe

Firmy, które nie planują w 2013 r. zakupu silników elektrycznych przeznaczonych do pracy w trudnych warunkach, swój wybór argumentują przekroczonym budżetem, brakiem takich aplikacji, rezerwami w tym zakresie lub tym, że silniki kupowane są w pakiecie z napędzanymi urządzeniami. Zakup silników pracujących w trudnych warunkach uzasadniany jest energooszczędnością, zużyciem eksploatowanych urządzeń, wymianą starych maszyn na nowe oraz koniecznością poszerzenia zakresu temperaturowego aplikacji.

Co na rynku?

W silnikach firmy Motovario uwzględnia się korpusy wykonane ze stopu aluminium. Uzyskano przy tym klasę izolacji F i stopień ochrony IP 55. Silniki osiągają wielkości mechaniczne mieszczące się pomiędzy 63 a 132 przy mocach od 0,09 do 11 kW. Standardowymi silnikami trójfazowymi jest seria T, zaś seria D stanowi dwubiegowe silniki trójfazowe. Silniki jednofazowe oznaczone są jako S. Zastosować można również silniki serii TB, będące trójfazowymi napędami z hamulcem. Seria DB to dwubiegowe silniki trójfazowe z hamulcem. Z kolei seria HSE stanowi silniki jednofazowe o podwyższonym momencie rozruchowym z przełącznikiem odśrodkowym.

Firma Bodine Electric oferuje silniki przekładniowe 33 A zasilane napięciem 90/130VDC i 12/24VDC z głowicą przekładniową WX. Urządzenia tego typu są silnikami z magnesami trwałymi. Uwzględnia się je przede wszystkim w przenośnikach, maszynach pakujących, pompach, sprzęcie medycznym, a także urządzeniach zasilanych energią elektryczną. Głowica WX w całości bazuje na elementach stalowych i syntetycznych środkach smarujących. Tym sposobem zyskuje się podwyższenie momentu obrotowego. Zgodność z wymogami normy AGMA 9 zapewnia cichą pracę. Głowica WX jest dostępna w 48 wersjach o 12 współczynnikach przełożenia od 4:1 do 312:1 oraz o znamionowych prędkościach obrotowych od 658 do 2,9 obrotów/minutę. W silnikach tego typu istotną rolę odgrywają stalowe korpusy, łożyska kulowe o ciągłym smarowaniu, szczotki z miedzi i grafitu oraz uzwojenia, które dodatkowo impregnuje się żywicą.

W wielu fabrykach zastosowanie znajdują silniki prądu stałego. Silniki szeregowe uwzględnia się przede wszystkim w sztaplarkach. Z kolei silniki szeregowo-bocznikowe są nieodzownym elementem systemów regulacji obrotów wybieraków, a także napędów linii i napędów maszyn pakujących.

Silniki asynchroniczne uwzględniane są przede wszystkim w przenośnikach taśmowych, wentylatorach i pompach. Z kolei silniki pierścieniowe znajdują zastosowanie w suwnicach i wentylatorach.

Firma Siemens oferuje silniki prądu stałego w wykonaniu z otwartym układem wentylacji (stopień ochrony IP 23) przeznaczone do użytku w suchych i zamkniętych pomieszczeniach o niskim zapyleniu. Natomiast silniki wykonane jako całkowicie zamknięte (stopień ochrony IP 54) mogą być stosowane na świeżym powietrzu lub w otoczeniu o wysokim zapyleniu albo dużej wilgotności. Zakres silników obejmuje moce mieszczące się pomiędzy 0,55 a 1610 kW. Modułowa koncepcja budowy oraz liczne opcje wyposażenia dodatkowego pozwalają na praktycznie dowolną konfigurację silnika z uwzględnieniem takich aspektów, jak np. usytuowanie wentylatora chłodzącego lub skrzynki zaciskowej, zabudowa czujników temperatury uzwojeń, wyposażenie w prądnicę tachometryczną lub enkoder itp.

Firma Tamel oferuje silniki nieiskrzące. Przeznaczone są one do pracy w strefie zagrożenia Z2 Grupa II. Konstrukcja silników EEx nA jest podobna do standardowych silników TEFV, jednak szczególny nacisk położony jest na wyeliminowanie występowania łuków i iskier oraz niebezpiecznych temperatur powierzchniowych. Koncentryczność szczeliny powietrznej jest rygorystycznie kontrolowana w trakcie produkcji, a konstrukcja silnika jest testowana na wstrząsy. Wszystkie silniki spełniają wymagania dyrektywy ATEX (94/9/EC). Mówiąc o silnikach przeznaczonych do stref zagrożonych wybuchem warto wspomnieć o urządzeniach firmy Damel. Stąd też silniki jednobiegunowe typu 2SGPL (L) wielkości mechanicznej 315 i 355 przeznaczone są do napędów maszyn i urządzeń górniczych, w szczególności przenośników taśmowych i zgrzebłowych oraz strugów węglowych. Silniki tego typu mogą być stosowane w podziemnych częściach kopalń i instalacjach powierzchniowych tych kopalń. Warto podkreślić, że silniki tego typu są chłodzone wodą, która przepływa przez kanały w kadłubie i połączony z nim kanał tarczy.

Oczekiwania względem dostawców

Klienci od dostawców silników elektrycznych oczekują przede wszystkim niezawodności, niskiej ceny i dobrej jakości produktu, a także dostępu do części zamiennych oraz pomocy technicznej. Coraz częściej zwraca się uwagę na energooszczędność oraz serwis na dobrym i dostępnym poziomie. Dla klientów ważne jest także zastosowanie nowych technologii.

Mówiąc o nowatorskich rozwiązaniach uwzględnianych w silnikach, warto zwrócić uwagę na zdecentralizowany napęd Movigear ze zintegrowaną przekładnią, silnikiem i falownikiem. Wykonanie standardowe oferuje stopień ochrony IP65 z możliwością podwyższenia do IP69K. Jest przy tym możliwa praca w środowisku C5-I (EN 12944-2). Odlewany ciśnieniowo korpus o powierzchni ułatwiającej czyszczenie jest idealny dla przemysłu spożywczego, a także w przypadku konieczności spełnienia wymagań „Clean room” klasa 2 (14644-1).

Przedstawiciele fabryk pytani o to, co mogą powiedzieć o silnikach elektrycznych pracujących w firmie, podkreślali dobrą jakość i niezawodność. Podano nawet, że w jednej z fabryk na około 50 silników zdarzyły się dwie awarie w ciągu ostatnich 4 lat pracy. Jednak mówi się, że nowe konstrukcje silników nie zawsze są wytrzymałe pod względem mechanicznym. Bardzo często silniki w aplikacji są przewymiarowane, ale bezawaryjne. Starsze modele silników cechuje wysokie zapotrzebowanie na energię.

Firma Bosch Rexroth oferuje silniki liniowe, które zapewniają bardzo precyzyjne pozycjonowanie i synchronizację. Są to silniki bezrdzeniowe o wysokiej dynamice i prostym sposobie montażu w maszynie. Silniki tego typu są nieodzownym elementem urządzeń technologii montażowej i manipulatorów. Seria silników MCL obejmuje cztery rozmiary o zróżnicowanych długościach i zakresie maksymalnej siły posuwu od 20 do 1700 N. Dla zwiększenia siły posuwu silniki mogą być łączone zarówno szeregowo, jak i równolegle. W razie potrzeby silniki mogą współpracować z układem pomiarowym położenia bazującym na czujnikach Halla. Silniki tego typu nie zawierają rdzenia stalowego. Trójfazowe uzwojenie stanowi jednolitą całość umieszczoną w tworzywie sztucznym. Korpus wirnika jest wykonany z aluminium i służy do jego montażu w maszynie, a także do odprowadzania ciepła. Stojan w kształcie litery U zawiera magnesy stałe i otacza wirnik. Dzięki takiej konstrukcji pomiędzy stojanem a wirnikiem nie występują siły przyciągania, zostało także wyeliminowane zjawisko skokowej pracy silnika przy małych prędkościach.

Silniki aseptyczne

W przemyśle produkcji napojów i spożywczym oraz w branży chemicznej uwzględnia się silniki aseptyczne. W urządzeniach tego typu zastosowanie znajduje gładka powierzchnia, a konstrukcja urządzenia nie zawiera wentylatora. Chłodzenie bazuje bowiem na konwekcji bez zawirowań powietrza. Istotną rolę odgrywa wysoka ochrona przeciwkorozyjna, która jest szczególnie istotna w miejscach narażonych na działanie agresywnych środków czyszczących i dezynfekcyjnych. Na przykład w silnikach aseptycznych firmy SEW Eurodrive przewiduje się klasę ochrony IP69K. Istotną rolę odgrywa ochronne lakierowanie powierzchniowe. Zagłębienia konturów wypełniono kauczukiem. Nie bez znaczenia pozostają podwójne pierścienie uszczelniające. Zawór odpowietrzający również jest wykonany ze stali nierdzewnej. Wprowadzanie przewodów ze śrubami zamykającymi również wykonano ze stali nierdzewnej, podobnie jak wszystkie elementy mocujące przy wale odbioru mocy, takie jak śruby, wpusty, tarcze skurczowe.

Elektroniczne zabezpieczenia silnika

Mówiąc o silnikach pracujących w trudnych warunkach eksploatacyjnych, warto wspomnieć o elektronicznych zabezpieczeniach silnika. Zalet wynikających ze stosowania tego typu urządzeń jest wiele. Przede wszystkim zwraca się uwagę na zidentyfikowanie przyczyny zadziałania zabezpieczenia. Tym sposobem uzyskano możliwość szybkiego usunięcia usterki. Nie bez znaczenia pozostaje również natychmiastowe wykrycie zaniku fazy, a następnie wyłączenie silnika. Warto również zwrócić uwagę na pamięć cieplną, która pozwala na kontrolowanie procesu nagrzewania i chłodzenia silnika podczas cyklu rozruchu, przeciążeń i wyłączania. Z elektronicznymi zabezpieczeniami silnika współpracować mogą również czujniki PTC z uzwojeń silnika, co pozwala na szybkie zareagowanie na przegrzanie.

Istotna jest modułowa obudowa, którą w zależności od modelu zamontować można na szynie DIN lub jako urządzenie wolno stojące. Istotną rolę odgrywa również galwaniczne odseparowanie zabezpieczenia od obwodu zasilania silnika. Wszystkie przyczyny zadziałania są sygnalizowane. Warto podkreślić, że dzięki urządzeniom tego typu można ściśle dostosować charakterystykę czasowo-prądową do konkretnego modelu napędu oraz aplikacji, w jakiej pracuje. Z pewnością przydatna okaże się także funkcja kontrolowanych próbnych załączeń. Wykonać można również testy przeciążenia, zaniku fazy, a także niedomiaru obciążenia.

W bardziej zaawansowanych modelach uwzględniono bogate możliwości komunikacyjne. Na przykład system REM 615 przygotowany jest do komunikacji zgodnie ze standardem IEC 61850. W urządzeniu uwzględniono protokół MODBUS oraz tradycyjne standardy DNP3 i IEC 60870-5-103. Zastosowanie w REM615 stacyjnego standardu komunikacyjnego IEC 61850 obejmuje zarówno komunikację poziomą, jak i pionową, włączając komunikaty GOOSE oraz nastawienie parametrów zgodnie z IEC 61850-8-1. Język konfiguracji stacji umożliwia zastosowanie narzędzi inżynierskich do sprawnej konfiguracji i rozruchu urządzeń stacyjnych.

Do dokładnego oznaczenia cechy czasu REM615 wykorzystuje synchronizację poprzez sieć Ethernet z użyciem SNTP lub inną wydzieloną sieć za pomocą IRIG-B. Model ten realizuje także podstawowe funkcje sterownicze, umożliwiając sterowanie jednym wyłącznikiem poprzez lokalny panel sterowniczy lub z systemu zdalnego sterowania. Dla ochrony urządzenia przed dostępem nieupoważnionych osób oraz dla zachowania integralności zawartych w nim danych, terminal jest wyposażony w czterostopniowy autoryzowany system identyfikacji użytkownika.

W elektronicznych przekaźnikach przeciążeniowych Sirius 3RB22/3RB23, celem zapewnienia dodatkowej ochrony odbiorników przed nadmiernym przegrzaniem, uwzględniono możliwość podłączenia obwodu termistora PTC, służącego do bezpośredniego nadzorowania temperatury uzwojenia silnika. Takie rozwiązanie pozwala na ochronę odbiorników przed nadmierną temperaturą, która powstaje np. pośrednio w wyniku utrudnionego dopływu płynu chłodzącego i nie można jej ustalić na podstawie pomiaru prądu. Oprócz tego możliwe jest przekazywanie i odpowiednie przetwarzanie różnych komunikatów statusu i ostrzegania. Przetwarzany jest zmierzony przez mikroprocesor prąd silnika w formie sygnału analogowego DC 4 mA do 20 mA w celu wysterowania elektrodynamometrów lub dla zasilania wejść analogowych sterowników programowalnych. Za pomocą dodatkowego modułu analogowego AS-Interface można przekazywać wartości prądu również za pośrednictwem systemu magistrali AS-i.

Falowniki

Nowoczesne systemy napędowe nie obejdą się bez falowników. Na przykład falowniki FC 100 firmy Danfoss wykorzystują system inteligentnego zarządzania chłodzeniem. W trybie temperatury otoczenia do 50°C falownik pracuje bez błędów z nominalnymi parametrami, co gwarantuje trwałość oraz niezawodność urządzenia. Alternatywą jest wdmuchiwanie przez wentylator chłodnego powietrza, które przepływa wyłącznie przez radiator, a część elektroniczna jest oddzielona od kanałów wentylacyjnych.

Inny sposób chłodzenia przemiennika to tzw. cold plate. Polega na tym, że tylna część obudowy falownika wykonana jest z aluminium pełniącego rolę radiatora. Falowniki PowerFlex 700L Allen Bradley chłodzone są cieczą.

Falowniki dostępne są w różnych stopniach ochrony, maksymalnie do IP 66, co pozwala na zabezpieczenie urządzenia przed kurzem, brudem, substancjami chemicznymi oraz wodą pod niskim ciśnieniem. Przystosowane są do montażu w szafach elektrycznych i na szynach DIN35. Niektóre modele mogą pracować w temperaturze od 0 do 50°C oraz wilgotności od 20 do 85%. Wielkość obudowy determinowana jest przez moc silnika, z jakim współpracuje przetwornica.

Obudowa przetwornicy Decentral FCD 300 firmy Danfoss pozwala na jej zabudowę w pobliżu silnika lub bezpośrednio na nim. Funkcjonalność instalacji zdecydowanie umożliwia ograniczenie do minimum okablowania. Podwyższony stopień ochrony IP 66 pozwala na stosowanie urządzenia w trudnych warunkach. Obudowa jest zwarta i wytrzymała na czynniki mechaniczne.

Ze względu na to, że przemienniki częstotliwości współpracują z innymi urządzeniami automatyki, muszą być wyposażone w odpowiednie interfejsy komunikacyjne, zarówno na wejściu, jak i wyjściu. Wartość zadana wprowadzana jest sygnałem w postaci pętli napięciowej 0–10 V, pętli prądowej 4–20 mA (0–20 mA) lub wejścia szeregowego RS 485. W zależności od modelu i producenta falownika, opcjonalnie mogą być wyposażone w inne systemy transmisji danych.

Falownik G7 firmy Omron wyposażany jest w dodatkowe interfejsy transmisyjne za pomocą kart komunikacyjnych. Pierwsza z nich, DeviceNet, służy do uruchamiania lub zatrzymywania falownika, ustawiania lub wyznaczania parametrów za pomocą sieci Device-

Net. Opcjonalne karty Profibus – DP i CANopen łączą przemiennik z urządzeniami nadrzędnymi, wykorzystując właśnie tego typu protokoły. Inne karty pozwalają na wykorzystanie systemów transmisji danych opartych na LONWORKS. Falownik G7 może być również wyposażony w kartę Ethernet wykorzystującą protokół TCP/IP Modbus, a także w magistralę ruchu o dużej szybkości, pozwalającą na łączenie z siecią MECHATROLINK – II.

Przemienniki częstotliwości OPTIDRIVE firmy Intertek Drives mogą być łączone w sieć komunikacyjną dzięki zastosowaniu światłowodów OPTILINK. Soczewki optyczne pracują w paśmie światła podczerwonego. Połączenie wykorzystuje nadawczo-optyczne porty falownika. Technologia światłowodowa oparta na polimerowych przewodach stwarza możliwość łączenia elementów w odległościach od 1 do 3 m. W przypadku transmisji danych na większe odległości zastosowanie znajdują światłowody szklane. Połączenie takie zapewnia galwaniczną izolację między portami komunikacyjnymi oraz wysoką odporność na zakłócenia elekromagnetyczne. Wykorzystanie złączy z zatrzaskami pozwala na szybkie rozpinanie poszczególnych podzespołów sieciowych.

Podsumowanie

Oferowane na rynku silniki elektryczne mają szerokie spektrum zastosowań w przemyśle, począwszy od pomp i wentylatorów, kończąc na maszynach wielkogabarytowych. Do dyspozycji pozostają silniki o mocy od 0,06 kW do ponad 18,5 kW. Nabyć można silniki elektryczne jedno- i trójfazowe, w obudowie aluminiowej i różnej formie konstrukcyjnej.

Czytelnicy podają, że napędy przeznaczone do trudnych warunków eksploatacyjnych są nieodzownym elementem systemów wentylacyjnych oraz maszyn i urządzeń, a w szczególności pomp narażonych na działanie wilgoci i środków chemicznych.

Firmy, które nie planują w 2013 r. zakupu silników elektrycznych przeznaczonych do pracy w trudnych warunkach, swój wybór argumentują przekroczonym budżetem, brakiem takich aplikacji, posiadaniem rezerwy lub faktem, że silniki kupowane są w pakiecie z urządzeniami, które napędzają. Klienci od dostawców silników elektrycznych oczekują przede wszystkim niezawodności, ceny i dobrej jakości, dostępu do części zamiennych i pomoc techniczną. Coraz częściej zwraca się uwagę na energooszczędność oraz serwis na dobrym i dostępnym poziomie. Dla klientów ważne jest także zastosowanie nowych technologii.

W przemyśle produkcji napojów i przemyśle spożywczym oraz w branży chemicznej uwzględnia się silniki aseptyczne. W urządzeniach tego typu uwzględnia się gładką powierzchnię, a konstrukcja urządzenia nie zawiera wentylatora. Chłodzenie bazuje bowiem na konwekcji bez zawirowań powietrza.

Firma SEW Eurodrive podaje, że podstawą jest właściwe rozpoznanie i określenie warunków, w jakich napęd ma pracować. Bierze się pod uwagę temperaturę otoczenia, zapylenie, wilgotność, możliwość zalania/zachlapania wodą, środowisko żrące. Ważne są także wymogi stawiane napędom, takie jak łatwość czyszczenia, czy też praca w strefach „Clean room”.

Raport powstał na podstawie danych uzyskanych z ankiety przeprowadzonej w październiku i listopadzie 2012 r. wśród czytelników miesięcznika Inżynieria i Utrzymanie Ruchu Zakładów Przemysłowych. Raport nie jest pełnym obrazem rynku.

Autor: Damian Żabicki